Silicon Photonics芯片吸引著公司和研究人員的主要原因是成本低，功耗低，其中Si是導(dǎo)光的良好材料。隨著CMOS晶體管尺寸逐漸減小，光學(xué)器件卻無(wú)法繼續(xù)縮減，成了研究人員極其關(guān)注的一個(gè)研究方向。

其實(shí)，從上個(gè)世紀(jì)八九十年代開(kāi)始，談“摩爾定律”色變的各位先行者就開(kāi)始探索半導(dǎo)體芯片的繼任者，企圖在硅芯片發(fā)展到物理極限時(shí)取而代之。筆者還記得當(dāng)初上學(xué)時(shí)，老師告訴我們CMOS工藝發(fā)展到十幾納米左右就會(huì)到物理極限。結(jié)果現(xiàn)在7nm的芯片都造出來(lái)了，代替CMOS工藝的成熟技術(shù)還沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用。

這里，我們就介紹一下一種傳說(shuō)中在“More than Moore”中的技術(shù)。Silicon Photonics。

早在1969年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的S.E.Miller首次提出了集成光學(xué)的概念。隨著微電子集成電路的發(fā)展，1972年，S.Somekh和A.Yarive提出了在同一半導(dǎo)體襯底上集成光學(xué)器件和電器件的設(shè)想。上世紀(jì)90年代，隨著硅基集成電路尺寸逐漸減小，其特征尺寸已進(jìn)入光通訊波長(zhǎng)范圍。另外，Si和SiO2材料之間的折射率差別較大，（Si大約3.45，SiO2大約1.44），容易發(fā)生全反射，這也有利于減小光集成器件尺寸，提高光芯片的密度。然而，從另一方面來(lái)說(shuō)，在CMOS晶體管尺寸已經(jīng)縮小到10nm左右的今天，由于光學(xué)衍射效應(yīng)，集成光學(xué)器件的尺寸無(wú)法繼續(xù)縮小，這也在一方面限制了硅光芯片的發(fā)展。因此，目前所說(shuō)的Photonic Integrated Circuits （PIC），都是指在片上集成光連接和光電轉(zhuǎn)換器件，再轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)用CMOS集成電路進(jìn)行處理。而不再是如最初提出時(shí)一般，用光學(xué)器件來(lái)完全取代晶體管。

正如上圖所示，現(xiàn)在我們也只是發(fā)展到光纖到戶，許多data center會(huì)用到光纖的板級(jí)互連。但最下面的芯片級(jí)通訊，現(xiàn)在各大公司和科研院所已經(jīng)有了demo的chip，100G的模塊已經(jīng)基本成熟，但距離市場(chǎng)級(jí)的全面應(yīng)用還尚有很大的距離。（PS：上面那篇文章發(fā)表于2002年，現(xiàn)在15年過(guò)去了，距離該作者的預(yù)言尚未完成一半，不知道該是慶幸還是悲傷。。。）

其實(shí)，說(shuō)了這么多，Silicon Photonics能夠讓許多公司和研究人員對(duì)此趨之若鶩的主要原因就在于成本低，功耗低，而且Si是導(dǎo)光的良好材料。由于SOI工藝的發(fā)展，一般的SOI上Si的光波導(dǎo)的損耗已經(jīng)可控制在2、3dB/cm。但是，現(xiàn)在還有一些缺陷限制了它的廣泛使用：

如何光電互連：即光源Laser和Photodetector。Si材料本身是間接帶隙，因此現(xiàn)在所有光源都必須添加其他材料進(jìn)行制作，比如III-V或Ge，這意味著無(wú)法在與標(biāo)準(zhǔn)CMOS SOI工藝上制作全部的光學(xué)器件。這也同時(shí)引入了一系列的成本問(wèn)題。

如何控制光：是指控制波長(zhǎng)的偏差。由于光學(xué)器件是與尺寸，厚度，doping等工藝參數(shù)息息相關(guān)。比如根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知，Grating coupler的poly silicon厚度偏移10%，coupling的波長(zhǎng)會(huì)移動(dòng)50nm左右。再比如片上的Photonic Modulator，很多還尚且需要Heater來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這也給系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

如何集成：隨著CMOS晶體管尺寸逐漸減小，而光學(xué)器件由于波長(zhǎng)和衍射的限制卻無(wú)法繼續(xù)縮減，這也是比較有趣的一點(diǎn)。此外，在光芯片和電芯片之間的package也是一個(gè)值得研究的方向。

下面舉一個(gè)SiPh Communication芯片的例子：

Source： C. Sun， et al. “Single-chip microprocessor that communicates directly using light”， Nature， 2015.

該文章公布了一個(gè)可以稱之為Microprocessor的系統(tǒng)，理論上傳輸速度550Gb/s。有興趣的同學(xué)可以去找來(lái)看一下（PS：其實(shí)筆者不清楚為什么它的傳輸波長(zhǎng)不在業(yè)界通用的1550nm或1310nm）。對(duì)于這種所謂的光通訊，其實(shí)筆者覺(jué)得可以這樣來(lái)簡(jiǎn)易理解：我們把它分成光和電兩部分來(lái)看。電信號(hào)的處理部分，其實(shí)就是Serdes加上Digital Processing；而光學(xué)部分的功能，說(shuō)白了就是先用電信號(hào)把光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，發(fā)送出去后送到接收端的Photodetector，再轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。只不過(guò)每一步都有一些特別的模塊用來(lái)調(diào)節(jié)。

總之，希望能通過(guò)這篇簡(jiǎn)單的介紹，能夠讓大家對(duì)Silicon Photonics有一個(gè)大體的了解。倘若有同學(xué)比較感興趣，期待多多交流，共同進(jìn)步。